八年懸賞翹首以盼 電磁理論一朝收官
——赫茲“電火花”實驗

任炳杰

(江蘇省白蒲高級中學，江蘇 如皋 226511)

海因里希·魯道夫·赫茲是著名德國物理學家,1857年生于德國漢堡市一個富裕的猶太人家庭,從小受到了良好的教育,23歲時師從于亥姆霍茲獲得德國柏林大學博士學位,后成為卡爾斯魯厄高等技術學院物理教授．赫茲在理論和實驗領域均對物理學發展作出了杰出貢獻,走在了當時電磁學、X射線、光電效應、陰極射線等研究領域的最前沿,其中又以發現電磁波和測量電磁波傳播速度的“電火花”實驗最為著名．本文從赫茲“電火花”實驗的研究背景、實驗原理、歷史意義3個方面加以闡述．

1 實驗的研究背景

18世紀中葉在庫侖發現電力、磁力的平方反比規律的基礎上,拉普拉斯、泊松等人建立了完整的靜電理論．進入19世紀以后隨著電流磁效應、電流熱效應、電磁感應等電磁現象的陸續發現,物理學家們開始關注電磁現象的理論體系,試圖仿照牛頓力學體系將上述電磁現象都納入其中．安培遵循牛頓力學體系的思路建立了電動力學,韋伯和紐曼發展了安培的理論認為電磁現象是一種超距作用,形成了大陸派電動力學;與之對立的另一學派以法拉第為代表,構想出描繪電磁作用的“力線”圖像,主張電磁現象是一種近距作用．

1856～1865的近10年間,麥克斯韋在前人工作的基礎上,洞察了大陸電動力學的不協調因素,認識到超距作用的弱點;繼承了法拉第的“力線”思想,堅定了近距作用的信念．同時又正確汲取了大陸電動力學的數學表達方式,在兩種不同學說的爭論中展開了電磁理論的研究,和牛頓一樣在前人研究的基礎上作出了偉大的歷史突破,陸續發表了3篇題為《論法拉第力線》《論物理力線》《電磁場的動力學理論》關于電磁場理論的論文．麥克斯韋的電磁理論可以解釋已發現的所有電磁現象,而且其數學形式簡潔優美,仿佛是上帝之手寫下的一首詩歌,符合物理學家們一貫的審美邏輯從而獲得了高度評價,被譽為自牛頓建立經典力學體系以來物理學最偉大的成就．

麥克斯韋電磁理論雖然完美,但是未經實驗驗證的理論終究不能使人信服．1879年柏林普魯士科學院頒布一項科學懸賞,以重金向當時科學界征求對麥克斯韋電磁理論的證明．麥克斯韋電磁理論包涵了一個偉大的預言,如果空間某區域中有周期性變化的電場,那么它會在空間引起變化的磁場;這個變化的磁場又會引起新的變化的電場……變化的電場和變化的磁場交替出現,由近及遠傳播開去,空間可能存在電磁波．不僅如此,麥克斯韋電磁理論還指出真空中電磁波的傳播速度等于光速c,光本身就是一種遵循電磁規律傳播的電磁波．基于上述背景赫茲在導師亥姆霍茲的鼓勵下決定進行電磁波實驗,因為找到電磁波就能證明麥克斯韋的電磁理論．

2 實驗原理

赫茲證實電磁波存在的實驗裝置如圖1所示,主要由發生器和接收器兩部分組成．兩個大銅球分別通過70 cm長的銅棒與兩只小銅球連接,小銅球相對放置中間留有約0.75 cm的空隙,實際上組成了一個電容器．銅球表面仔細打磨光滑,兩根銅棒分別用導線連接到電感線圈的兩端,閉合開關給電感線圈通電時銅球電容開始充電,當電壓上升至2×104V左右時,兩個小銅球間的空氣被擊穿,出現短暫的放電電流,在暗室中能觀察到一束美麗的藍色電火花．每一次“電火花”的出現都會伴隨能量損失,使得銅球電容兩端的電壓降低至擊穿電壓以下,直到電容器繼續充電達到擊穿電壓,“電火花”再次出現,但是發生器中的“電火花”卻不是赫茲想要觀察到的實驗現象．赫茲取2 mm粗的銅棒做成圖1中的兩個開口的長方形銅環,在其接口處同樣連接兩只小銅球,銅球間的間隙調節至適當寬度,實際上組成了電磁波的接收器．隨著發生器不斷擊穿空氣形成高頻振蕩的放電電流,赫茲將目光集中到不遠處的接收器,開口處的小銅球間也同樣激發出了“電火花”,一次、兩次、三次、一閃而逝但千真萬確．接收器是一個孤立系統,既沒有連接發生器也沒有能量來源,“電火花”的閃現只能有一個解釋,電磁波真實存在于空間之中,正是電磁波激發了接收器上的“電火花”．赫茲成功地解決了這個8年前由柏林普魯士科學院頒布的科學懸賞,雖然這個懸賞于1882年因為實在太難無人能解就已經失效了．

圖1 赫茲的實驗裝置及簡圖

赫茲通過“電火花”實驗證實電磁波存在以后,接下來證明麥克斯韋電磁理論最有說服力的實驗就是直接測量電磁波的傳播速度．依據麥克斯韋電磁理論,電磁波在真空中的傳播速度等于光速c,要直接測量這么快的速度是非常困難的．赫茲在“電火花”實驗的基礎上,巧妙地利用波的疊加原理,成功地測出了電磁波的傳播速度,成為赫茲電磁波系列實驗中最具有代表性的杰作．

圖2 測量電磁波速度的裝置示意圖

圖3 前進波與反射波相遇

3 實驗的歷史意義

赫茲通過“電火花”實驗全面證實麥克斯韋的電磁理論,并在理論上進行了進一步完善,揭示了電、磁、光現象在本質上的統一,建立了科學完整的電磁理論體系,成為物理學發展進程中一個劃時代的里程碑,足以與牛頓建立經典力學理論體系相媲美．愛因斯坦曾經給予高度評價:“自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來,物理學公理基礎的最偉大變革,是由法拉第、麥克斯韋、赫茲在電磁現象方面的工作引起的”．[1]經典電磁理論大廈經由法拉第奠基、麥克斯韋建造主體、赫茲完成封頂之作,歷經百年終于建成,它高聳入云、精美絕倫、宏偉輝煌,成為物理學發展歷程中最具有代表意義的經典建筑．

赫茲“電火花”實驗為人類無線電技術的發展開拓了道路,他的名字被定為頻率單位永遠鐫刻于科學史的名人殿堂．1894年赫茲英年早逝,就在這一年一位正在度假的意大利青年古格列爾莫馬可尼在電氣雜志上讀到了赫茲關于電磁波實驗的論文．大受啟發兩年以后馬可尼在公開場合進行了無線電通訊表演,不久成立馬可尼無線電報公司并獲得了專利,到了1901年也就是赫茲去世僅7年后,無線電報已經能夠穿越大洋實現實時通信了．來自俄國的波波夫同樣在無線電技術領域作出了重要貢獻,如果說馬可尼與波波夫將人類帶入了嶄新的“信息時代”,那么無疑是赫茲啟發他們開始了物理學改變人類社會的奇妙旅程．

赫茲“電火花”實驗為物理學新理論華麗登場埋下了重要伏筆．首先是麥克斯韋電磁理論的證實,使得物理學家對光的本性的認識得到扭轉,在此之前受牛頓經典力學體系影響,光的粒子性占了上風,自此之后光的波動性絕地反擊,光本身就是一種電磁波是對粒子性的最佳駁斥．更重要的是波動性也沒能風光多久,短短幾年后新的現象和理論風起云涌,光的波粒二象性呼之欲出．其次赫茲實驗證實電磁波的傳播速度等于光速c,成為電磁規律的重要組成部分,愛因斯坦敏銳地發現相對性原理與電磁規律無法調和的矛盾,在令人困惑的事實面前,愛因斯坦大膽提出了狹義相對論,從此將人類帶入了一個嶄新而奇妙的時空世界．